Costruzione di una Gabbia di Faraday Per Contenere le EMI, Parte 1

Kella Knack
|  Created: November 4, 2019  |  Updated: February 8, 2021

Le EMI (Interferenze Elettromagnetiche) sono un fenomeno che può essere fonte di travagli per un progetto se non viene affrontato correttamente e scrupolosamente.

Uno dei sistemi più spesso utilizzati ma non necessariamente compreso a fondo per contenere le EMI consiste nel far ricorso a una gabbia di Faraday. 

Questo articolo in due parti fornirà una panoramica delle EMI, come possono interferire con altri prodotti e come far fronte alle EMI mediante una corretta progettazione e implementazione delle gabbie di Faraday. 

In questo articolo sarà incluso un approfondimento su cosa siano le EMI e quali ne siano le fonti; i ground e come siano applicabili ai circuiti elettronici; come estrarre calore da una gabbia di Faraday mantenendone le EMI all’interno; come far entrare e uscire i segnali da una gabbia di Faraday senza propagazione di EMI all’esterno; come fornire alimentazione a un prodotto senza propagazione di EMI all’esterno, e come costruire una gabbia di Faraday per prodotti montati su rack che dispongono di schede plug-in e backplane. 

La prima parte di questo articolo si soffermerà sulle varie modalità in cui le EMI si sprigionano dai prodotti e come realizzare una gabbia di Faraday per contenerle. 

La seconda parte si concentrerà su come fornire alimentazione a un prodotto senza propagazione di EMI all’esterno; costruzione di una gabbia di Faraday per prodotti montati su rack, e se sia opportuno o meno collegare la massa logica a una gabbia di Faraday.

Cosa Sono le EMI e Dove Si Originano?

Come accennato in precedenza, EMI sta a indicare le Interferenze Elettromagnetiche. 

Nelle configurazioni elettroniche, le EMI si sprigionano da un prodotto e interferiscono con un altro. Ciò può avvenire in due modi:

  • L'energia elettromagnetica può essere irradiata nello spazio a causa della presenza di un’antenna accidentale che si estende dal prodotto.
  • L'energia elettromagnetica può trasferirsi mediante i cavi elettrici del prodotto nei terminali di alimentazione di un altro prodotto.

Lo standard commerciale per le EMI irradiate è misurato nella banda di frequenze da 30 MHz a 1 GHz oppure fino a 5 volte la frequenza di clock più alta, a seconda di quale sia la più elevata. 

Le EMI condotte vengono misurate nella banda di frequenze da 150 KHz a 30 MHz.

EMI sta a indicare le Interferenze Elettromagnetiche. Ciò significa che un prodotto è stato progettato in modo tale da non subire interferenze da altri prodotti a causa di EMI, siano esse irradiate o condotte. 

In altre parole, il rumore sotto forma di radiazione elettromagnetica proveniente da un'altra fonte, che può causare il malfunzionamento di un prodotto, non lo compromette. La gabbia di Faraday risolve anche questo problema.

In parole povere, le EMI irradiate rappresentano un collegamento radio indesiderato. 

Se si riflette su cosa sia necessario per creare un buon collegamento radio (cioè un transistor), diventa più semplice capire cosa sia necessario fare per eliminare un problema di EMI. 

I due elementi necessari in un trasmettitore radio sono:

  • Una fonte di energia RF (trasmettitore).
  • Una superficie radiante (antenna).

Il controllo delle EMI implica l'eliminazione della fonte o dell'antenna.

I metodi empirici consolidati nella comunità ingegneristica hanno teso a focalizzarsi sulla rimozione della fonte di EMI. 

Tali metodi si sono evoluti negli anni '80, quando le frequenze operative dei prodotti erano ben al di sotto del punto di partenza di 30 MHz per la misurazione delle EMI. All’epoca, gli ASIC raramente avevano velocità abbastanza elevate da generare rumore nel range da 30 MHz a 1 GHz. 

L'inserimento di un manicotto di ferrite nel cavo di alimentazione di un simile dispositivo ne impediva il funzionamento a velocità tali da causare EMI. 

Tali tecniche si focalizzavano sulla rimozione della fonte delle EMI.

Poiché l’elettronica moderna funziona ben al di sopra del punto di partenza di 30 MHz per la misurazione delle EMI irradiate, sopprimerli con manicotti di ferrite e altri metodi simili non è un’opzione. 

Pertanto, la rimozione di antenne accidentali diventa il metodo di riferimento per eliminare le EMI.

I fattori che contribuiscono alla bontà delle antenne includono:

  • Roba che spunta fuori dai PCB come i lead frame PLCC e altri elementi che fuoriescono dai PCB. Ciò include cavi non schermati che vanno a dispositivi come mouse e monitor. 
    1. I fattori che non contribuiscono alla bontà delle antenne sono le cose che non spuntano fuori, tipo le tracce su un PCB.
  • Due PCB uniti da un connettore, come ad esempio un connettore DIMM, formano un'antenna a dipolo.
  • PGA (Programmable Grid Arrays) e BGA (Ball Grid Arrays) nei socket contribuiscono alla bontà delle antenne.

Inoltre:

  • Un set di due schede si comporterà tipicamente come un'antenna a dipolo.
  • Un cavo non schermato che si diparte da una gabbia di Faraday sarà un'antenna.
  • Il collegamento della massa logica a una gabbia di Faraday in più di un punto trasforma spesso la gabbia in un'antenna.
  • Il lead frame di un componente che si protrude al di sopra di un PCB è un'antenna.
  • La recisione di piani di massa può trasformare un PCB in un'antenna a dipolo.
  • Il collegamento del frontalino di un modulo plug-in alla massa logica trasformerà il frontalino in un'antenna.

Gabbie di Faraday ed EMI

Esistono tre soluzioni per il trattamento di potenziali antenne (cavi). Queste includono:

  • Schermarli quando escono dal prodotto.
  • Posizionare un filtro passa-basso in serie all'antenna nel punto in cui fuoriesce dal prodotto.
  • Mettere il prodotto in una gabbia di Faraday.

Ai fini di questa discussione, ci concentreremo sulle gabbie di Faraday e sul loro ruolo nella soppressione delle EMI. 

Le gabbie di Faraday sono involucri metallici che racchiudono un prodotto che irradia energia nelle larghezze di banda EMI. 

La gabbia di Faraday riflette indietro questa energia all’interno del prodotto ma raramente la assorbe, e questo è il metodo ideale per contenere le EMI. Una gabbia di Faraday è necessaria quando un sistema ha più PCB o quando sono presenti componenti di grandi dimensioni che sono sporgenti e possono fungere da antenne. 

Come osservato in precedenza, la stessa gabbia di Faraday può fungere da antenna se la gabbia di Faraday è collegata alla massa logica in più di un punto. 

Ciò è a volte erroneamente indicato come "chassis ground”. Questo errore si commette più frequentemente se si collega la massa logica alla gabbia di Faraday a livello di backplane di sistema e successivamente si collega la massa logica anche ai frontalini delle schede plug-in.

Un indizio che ciò sia avvenuto si ha quando vengono rilevate EMI nelle "fessure". 

Lo si è spesso sentito descrivere come EMI "propagantesi" dalle fessure o giunture dell’involucro. 

La gabbia di Faraday è solitamente costituita da parti dello chassis, come i lati di una gabbia per schede. 

Per questo motivo, l’espressione "Chassis Ground" viene spesso utilizzata quando si parla di contenimento delle EMI. 

Questi termini ingenerano confusione, in quanto possono fuorviare gli sviluppatori di prodotti. 

Usiamo il termine gabbia di Faraday solo quando parliamo di EMI e la rappresentiamo con il simbolo a destra. 

È vero che alcune parti dello chassis sono utilizzate per formare parte della gabbia di Faraday, ma lo "chassis" non è il vascello di contenimento delle EMI.

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chassis della gabbia di faraday
 

L'uso della parola "ground" nelle discussioni riguardanti le EMI ingenera confusione. In materia di EMI, il ground non è un luogo magico. 

Una buona definizione di ground è stata data da Bruce Archambault di IBM per evitare che gli ingegneri usassero il termine nelle discussioni circa le EMI.

Ground: The place where one plants seeds in the hope that come summertime there will be a good crop of tomatoes.

Ground: Il luogo in cui si piantano i semi nella speranza che in estate si avrà un buon raccolto di pomodori.

Le gabbie di Faraday possono essere realizzate con qualsiasi tipo di metallo comune. 

La figura 1 è un esempio di prodotto con una gabbia di Faraday. 

Quando il telaio è verniciato, è importante assicurarsi che la vernice non copra le aree in cui sono necessarie giunture metalliche, ad esempio tra le varie parti della gabbia di Faraday e i bordi del frontalino.

A Typical Card Cage Based Faraday Cage

Figura 1. Una Tipica Gabbia di Faraday Progettata per Gabbia per Schede

Estrarre Calore dalla Gabbia di Faraday Mantenendone le EMI all’Interno

Una volta che un prodotto è stato racchiuso in una gabbia di Faraday, non è resistente soltanto alle EMI, ma anche al calore. 

Poiché tale calore può determinare un cattivo funzionamento o un vero e proprio malfunzionamento di un prodotto, è importante riuscire a estrarre il calore dal prodotto.

Ad esempio, nei computer portatili, il calore viene rimosso mediante l'uso di una piastra termica che conduce il calore al case esterno del laptop. 

Nei prodotti più grandi, in cui ciò non è funzionale, il calore viene dissipato mediante la circolazione dell'aria. 

Nei prodotti che hanno modesta dissipazione del calore, l'aria è mossa per convezione. 

 

Per quei prodotti che sviluppano più calore di quanto la convenzione possa tollerare, vengono utilizzate le ventole. In tutti i casi, l'aria deve poter entrare nel prodotto e uscirne. 

Ciò significa che devono essere contemplate aperture nella gabbia di Faraday abbastanza ampie da consentire all'aria di circolare, pur essendo sufficientemente ristrette da impedire la fuoriuscita delle EMI.

Ci sono state diverse congetture circa la dimensione del foro che può essere praticato senza generare una dispersione di EMI. 

Non abbiamo consultato documenti che illustrino chiaramente come determinare la dimensione del foro che potrebbe conformarsi a un tale criterio. 

Bensì, abbiamo impiegato i metodi che usiamo sempre—realizzazione di strutture di test per poi effettuare le misurazioni. 

Attraverso i nostri esperimenti, abbiamo determinato che mesh con fori non più grandi di ¼”, 6,35 mm, potranno contenere EMI fino ad almeno 10 GHz. 

È possibile praticare un array di fori sulla superficie della gabbia di Faraday. Quindi, un pannello può essere montato saldamente in un foro nella gabbia di Faraday. 

È anche possibile avere un nido d’ape come quello mostrato in Figura 2, che può essere montato nella parte superiore e inferiore di una gabbia per schede, al di sopra e al di sotto delle guide della scheda. 

Se vengono utilizzati pannelli o nidi d’ape, devono essere fissati tutto intorno alla gabbia di Faraday. 

A honeycomb screen used as a Faraday cage that allows air out while keeping EMI in

Figura 2. Un Pannello a Nido d'Ape che Consente la Fuoriuscita dell'Aria Mantenendone le EMI all'Interno

Un pannello a nido d'ape usato come gabbia di Faraday che consente la fuoriuscita dell'aria mantenendone le EMI all'interno

Contenere le EMI Mentre i Segnali Vanno e Vengono

Una gabbia di Faraday ben sigillata è un sistema sicuro per contenere le EMI. 

Tuttavia, il prodotto racchiuso nella gabbia di Faraday ha scarso valore se i segnali non possono anche entrarci e uscirci.

Un modo per risolvere il problema summenzionato è mediante le fibre ottiche. 

Con questa tecnologia, non sono presenti percorsi conduttivi che entrano o escono dall’involucro sui quali le EMI potrebbero viaggiare. 

Pertanto, i prodotti con interfacce in fibra ottica, come i router di grandi dimensioni, si prestano abbastanza facilmente ad essere resi conformi alle specifiche EMI.

 Per altri prodotti, è necessario un approccio differente.

Vi sono due tipi di segnali che entrano ed escono da un prodotto attraverso i cavi. Essi sono:

  • Cavi schermati, tipo i cavi coassiali.
  • Doppini intrecciati schermati su cavi non schermati.
  • I segnali che attraversano i cavi schermati includono:
  • Ethernet 10Base2
  • USB
  • FireWire
  • RS232
  • Segnali grafici su connettori DIN a 9 pin
  • Segnali RF da e verso antenne
  • Cavi Infiniband
  • HDMI

I segnali che attraversano i cavi non schermati includono:

  • Connessioni mouse
  • Controlli ventole
  • Ethernet su doppini intrecciati non schermati (UTP)
  • Connessioni tastiera
  • Cablaggio di potenza

La gestione dei segnali che viaggiano su cavi schermati è semplice. 

Questo schermo è un'estensione della gabbia di Faraday, quindi va collegato alla gabbia con una connessione a bassissima induttanza. 

Ciò si ottiene collegando lo schermo del cavo alla shell del connettore dal lato del cavo, e collegando la shell del connettore alla gabbia di Faraday dal lato del prodotto. 

È importante osservare che è sconsigliato collegare la shell del connettore alla massa logica quando fa parte della gabbia di Faraday.

Ci sono casi in cui non è possibile effettuare una connessione CC tra lo schermo del cavo e la gabbia di Faraday, ad esempio nella versione 10Base2 di Ethernet. 

Se non c’è una connessione tra schermo e gabbia di Faraday, è verosimile che lo schermo funga anche da antenna indesiderata. 

La Figura 3 è un esempio di una Ethernet 10Base2 che fuoriesce dall'estremità di una schedaLink kept for relevancy che va a inserirsi nel backplane sulla sinistra. 

Coaxial cable connected to plane capacitance to the ground and to an output transformer with parasitic capacitance to the output driverFigura 3. Connessione Cavo Ethernet 10Base2 alla Gabbia di Faraday

Poiché il circuito si trova all'estremità di un PCB inserito nel backplane, ci saranno sia gradienti di tensione CA che CC tra il "ground" del backplane e il frontalino del PCB che fa parte della gabbia di Faraday. 

Nella maggior parte dei casi, i piani di massa nel backplane formeranno un lato della gabbia di Faraday, mentre i frontalini delle schede plug-in formeranno l'altro lato. 

 

Il rumore CA sul circuito si accoppierà dal primario al secondario del trasformatore di uscita, per via della capacità parassita esistente tra i due. 

Di conseguenza, questo rumore verrà impresso sullo schermo e sui conduttori centrali del cavo schermato. Se questo schermo è collegato alla gabbia di Faraday, questo rumore viaggerà solo all'interno dello schermo, quindi non vi sarà presenza di EMI.

Il problema con il suddetto circuito è il requisito Ethernet che non ci sia connessione CC alla gabbia di Faraday. 

Il che lascia come opzione solo una connessione CA sotto forma di collegamento di un condensatore. 

Un ulteriore requisito è che il condensatore sia in grado di sopportare una tensione di 1700 VCC. 

Non esistono condensatori che abbiano sia la tensione di rottura richiesta che la capacità di effettuare una connessione a bassa impedenza tra lo schermo e la gabbia di Faraday nell’arco della banda di frequenze EMI irradiate. 

Di conseguenza, possono verificarsi le emissioni mostrate nella Figura 4. 

Figure showing AB1000 emissions of a 10Based 2 Ethernet Cable without a Plane Capacitor as a function of signal frequency in that cable.

Figura 4. Emissioni Da Cavo 10base2 senza Condensatore Piano in Figura 5

Affinché lo schermo sia efficace, è necessario un metodo per collegarlo alla gabbia di Faraday che sia conforme alle condizioni elettriche di tensione di rottura di 1700 V e di impedenza CA da 30 MHz a 1 GHz. 

Un condensatore a piastre parallele ricavato dai piani del PCB è in grado di farlo. La figura 5 mostra come è realizzato questo tipo di condensatore.

Planes in PCB layers act as parallel plate capacitors as depicted in this figure showing the four layers of a PCB to be connected to a coaxial cable.

Figura 5. Condensatori a Piastre Parallele Formati da Strati PCB

La Figura 5 è il margine destro di un PCB scheda figlia che si estende a sinistra e va a inserirsi in un connettore backplane. 

Gli ultimi 2,54 cm dell'area su tutti e quattro gli strati sono stati separati dal resto del PCB mediante tagli piani. 

 

L'area sugli strati superiori e inferiori è stata ricoperta di rame e collegata al frontalino utilizzando le viti di montaggio dello stesso. 

Questo settore funge da piastra di un condensatore piano collegato alla gabbia di Faraday. La superficie piana nei due strati interni è suddivisa in due segmenti per creare una piastra di condensatore per ciascuno dei due connettori assiali. 

Lo schermo di ciascun connettore coassiale è collegato a queste piastre interne, così formando la seconda piastra di un condensatore a bassissima induttanza di circa 370 pf che è collegato alla gabbia di Faraday. 

Lo spessore minimo di isolamento è di 8 mils per una tensione di rottura superiore a 8000 V. È stato effettuato un collegamento CA tra gli schermi e la gabbia di Faraday che soddisfa entrambi i requisiti elettrici. La Figura 6 mostra le emissioni dopo che è stato stabilito il collegamento CA.

AB1000 CISPRB Emissions shown in dB as a function frequency after adding a plane capacitor to the PCBFigura 6. Emissioni 10Base2 Dopo l'Aggiunta di un Condensatore Piano al PCB

Le emissioni sono state drasticamente ridotte facendo sì che lo schermo del cavo avesse una connessione a bassa impedenza rispetto alla gabbia di Faraday. 

Il motivo per cui il condensatore a piastre parallele era efficace mentre il condensatore discreto non lo era è dovuto alla bassissima induttanza del condensatore a piastre. 

È plausibile che ciò abbia dato luogo alle tesi abbracciate da alcuni guru delle EMI che dipingono questa scienza come "magia nera". 

I condensatori discreti funzionavano in passato quando le cose andavano più lentamente, mentre ora non funzionano in virtù della loro induttanza parassita.

I condensatori costruiti dagli strati di un PCB possono essere utilizzati anche per realizzare filtri passa-basso, che operano su una gamma molto ampia di frequenze. 

Questa tecnica funziona per le linee di controllo che si diramano dalla gabbia di Faraday verso i vassoi per ventole o che vanno alle periferiche tastiera e mouse. 

Tutto ciò che occorre è applicare una grossa patch di rame in uno strato di segnale al segnale prima che fuoriesca dall’involucro. La Figura 7 ne è un esempio per due linee di controllo ventole che si dipartono da una gabbia di Faraday che racchiude un router Terabit.

Plane Capacitor Built Into a Signal Layer of a Backplane

Figura 7. Condensatore Piano Integrato In uno Strato di Segnale di un Backplane

Le due patch rettangolari di rame in Figura 7 formano condensatori a piastre parallele con i piani di massa del backplane. 

In questo caso, i piani di massa nel backplane formano un lato della gabbia di Faraday. 

Sono collegati alle tracce che trasportano i segnali di controllo ventole mentre si dipartono dalla gabbia di Faraday, così creando un filtro passa-basso che impedisce alle alte frequenze di fuoriuscire da questo percorso. 

Una tecnica simile può essere utilizzata su altre linee che si diramano da un prodotto senza schermatura.

Una versione più diffusa di connessione Ethernet è con UTP (doppini intrecciati non schermati). 

Quando questo tipo di circuito si trova all'estremità di una scheda plug-in, come evidenziato in Figura 3, si verificherà senz’altro un problema di EMI. 

Questo problema può essere risolto utilizzando un trasformatore con un secondario center-tapped come quello mostrato nella Figura 8. 

Il condensatore piano è collegato tra il center tap del secondario e la gabbia di Faraday, con il rumore deviato nella sua direzione.

Schematic showing plane capacitor connecting the center tap of an unshielded twisted pair (UTP) to a Faraday cage

Figura 8. Condensatore Piano Che Collega il Center Tap di un UTP alla Gabbia di Faraday

A seguire, Parte 2: Fornire Alimentazione Senza Propagazione di EMI all’Esterno e Oltre.


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Kella Knack è Vice President di Marketing per Speeding Edge, una società impegnata nella formazione, consulenza e pubblicazione su argomenti di progettazione ad alta velocità come l'analisi dell'integrità del segnale, PCB Design e controllo EMI. In precedenza, ha lavorato come consulente di marketing per un ampio spettro di società high-tech, dalle start-up alle società multimiliardarie. Ha anche lavorato come redattrice per varie pubblicazioni commerciali elettroniche che coprono i settori di mercato PCB, networking e EDA.

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